Формирование Земли сопровождалось столкновениями с крупными планетезималями около 4,5 млрд лет назад. Новое исследование показывает, что такие гигантские удары могли не только нагревать молодую планету и срывать первичную атмосферу из водорода и гелия, но и помогать ей эту атмосферу сохранять.
Масса против нагрева
Работа Дариуса Модиррусты-Галиана из Шанхайского университета Цзяотун и Юна Коренаги из Йельского университета опубликована в журнале Nature Astronomy. Учёные рассмотрели поздний этап формирования каменных планет — после рассеяния протопланетного диска, когда столкновения между уже достаточно крупными телами выделяли огромное количество энергии.
Гигантское столкновение приносит планете сразу два результата: тепло и массу. Часть энергии уходит в глубокие слои планеты, а часть нагревает мантию и действительно может способствовать утечке первичной атмосферы. При этом вся масса столкнувшегося тела увеличивает гравитационную энергию связи планеты — то есть её способность удерживать атмосферу.
По словам авторов, плавление мантии поглощает часть энергии в виде скрытой теплоты, а металлическое ядро планетезимали передаёт мантии сравнительно мало энергии и остаётся перегретым на глубине. Поэтому прирост гравитационного удержания может оказаться значительнее дополнительного нагрева мантии. В результате столкновения способны смещать планету в сторону сохранения атмосферы, а не её полной потери.
Связь с суперземлями и субнептунами
Вывод помогает объяснить, почему среди экзопланет так много суперземель и субнептунов — типов миров, которых нет в Солнечной системе. Считается, что оба класса могли начинать формирование как каменные ядра, но затем приобрели разные атмосферы.
Субнептуны могли вырасти благодаря более массивным столкновениям: эти события добавляли им массу и помогали удерживать значительные объёмы первичной атмосферы. Даже несколько процентов атмосферы из водорода и гелия способны сделать её протяжённой и заметно увеличить радиус планеты. Суперземли, согласно исследованию, могли не испытать столь массивных столкновений, не набрать достаточно массы и впоследствии потерять атмосферу под действием излучения звезды.
Авторы считают, что такой сценарий меняет представление о гигантских столкновениях как о почти неизбежной причине полной потери атмосферы. Первичная водородно-гелиевая оболочка сама по себе не делает планету пригодной для жизни, однако её взаимодействие с океаном магмы молодой каменной планеты могло участвовать в формировании условий, включая появление воды.
